生物电化学能量转化电池单元中的生物膜的制作方法

背景技术：

1、目前的伏打电池单元和太阳能面板系统的效率有限，并且需要复杂的材料，这产生了显著的相关成本。许多太阳能面板使用基于晶圆的晶体硅电池单元或基于镉或硅的薄膜电池单元。这些电池单元是脆弱的，并且必须通过添加多个保护层来防止潮湿。面板串联部署以提高电压和/或并联部署以提高电流。面板通过金属导线互连。普通系统的一个固有问题在于，当面板的一部分被遮蔽并且面板的另一部分出于直射阳光下时，由于反向电流流动，电池单元容易过热。另一个固有问题在于，太阳能电池单元在较高温度下会变得不太有效，这限制了光转化为正电荷的地理有效性。如阵列排列的透镜和镜子等改进改进了光的聚焦以提高效率，但制造复杂度和相关成本更高。

2、虽然生物化学伏打电池单元可能是合适的替代方案，但生物化学伏打电池单元也面临许多挑战。生物化学伏打电池单元依赖于能够产生能量的生物体，这些能量可以被收集并且转化以产生势能。然而，利用这些生物体涉及维持电池单元内的充分活性水平以使生物体保持活着，以及以可靠的方式操作。在一些情况下，生物体可能干扰电池单元本身的操作，如通过产生电流和/或电压水平小于或超过特定电池单元所期望的电流和/或电压水平的电。另外，维持适当环境以实现生物体在生物化学伏打电池单元中茁壮成长的可持续条件可能具有挑战性以及价格高昂的。

3、在此提供的背景描述是出于总体上呈现本公开的上下文的目的。当前提及的发明人在本背景技术部分中描述的范围内的工作以及在提交时可能未另外取得现有技术资格的描述的各方面既不明确地也不暗示地承认是相对于本公开的现有技术。

技术实现思路

1、一方面涉及一种伏打电池单元，其包含：(a)阳极，所述阳极用于接收电子并且将电子提供给外部电路或负载；(b)阴极，所述阴极用于向电化学反应供送电子；(c)生物膜，所述生物膜包括微生物，所述生物膜与所述阳极或所述阴极电接触；(d)缓冲液，所述缓冲液包括与所述阳极和所述阴极接触的离子传导介质；以及(e)容器，所述容器至少部分地容纳所述生物膜和所述缓冲液。

2、在各个实施例中，所述伏打电池单元还包含离子可渗透且电子供体不可渗透的屏障，所述离子可渗透且电子供体不可渗透的屏障将所述缓冲液分隔到阳极隔室和阴极隔室中，由此防止电子供体群体接触所述阴极。在一些实施例中，所述屏障是电子传导性的。

3、在一些实施例中，所述屏障接触所述阳极。

4、在各个实施例中，所述生物膜与所述阳极和所述阴极中的至少一者接触。在一些实施例中，所述生物膜与所述阳极、所述阴极和所述离子可渗透且电子供体不可渗透的屏障中的至少一者接触。

5、在各个实施例中，所述生物膜包含两种或更多种微生物。

6、在各个实施例中，所述生物膜形成于所述伏打电池单元中的衬底上。在一些实施例中，所述衬底为所述阳极或所述阴极。在一些实施例中，所述衬底接触所述阳极或所述阴极的表面。

7、在各个实施例中，所述生物膜包含带正电荷的部分。

8、在各个实施例中，所述生物膜包含带负电荷的部分。

9、在各个实施例中，所述生物膜包含合成部分。

10、在各个实施例中，所述生物膜包含非合成部分。

11、在各个实施例中，所述生物膜包含一或多个丝状附器。

12、在各个实施例中，所述生物膜包含一或多种微生物类别，所述一或多种微生物类别是厌氧微生物、好氧微生物和兼性厌氧微生物中的一或多种。

13、在各个实施例中，所述生物膜包含硫氧化微生物和硫还原微生物。

14、在各个实施例中，所述生物膜包含一或多种选自由以下组成的组的微生物：铁还原红育菌(rhodoferax ferrireducens)、嗜酸乳杆菌(lactobacillus acidophilus)、深红红螺菌(rhodospirillum rubrum)、脱硫弧菌脱硫亚种(desulfovibrio desulfuricanssubsp.desulfuricans)、厌氧消化链球菌(peptostreptococcus anaerobius)、森氏红螺菌(rhodospirillum centenum)、疾卡氏菌(catonella morbi)、毛螺菌(lachnospiraceaesp.)、腹发光杆菌(photobacterium leiognathi)、酒色闪杆菌(allochromatiumvinosum)、干酪乳酸杆菌(lactobacillus casei)、具核梭杆菌多形亚种(fusobacteriumnucleatum subsp.polymorphum)、孔兹创伤球菌(helcococcus kunzii)、痤疮丙酸杆菌(cutibacterium acnes)、深红红螺菌、孔兹创伤球菌、酒色闪杆菌和产黏变形杆菌(ferrovum myxofaciens)。

15、在各个实施例中，所述生物膜包含基质，所述基质包含天然聚合物、合成聚合物、dna的水合物、蛋白质的水合物或碳水化合物的水合物。

16、在以上所述的任何实施例中，所述伏打电池单元还可以包含与所述阳极电通信的集电器。

17、在以上所述的任何实施例中，第一微生物物种和/或第二微生物物种包含光采集天线。在各个实施例中，所述第一微生物物种通过第一波段中的电磁辐射激发，并且所述缓冲液中的至少一种其它微生物物种通过第二波段中的电磁辐射激发，其中所述第一波段和所述第二波段基本上不重叠。

18、在以上所述的任何实施例中，所述第一微生物物种包含光能营养或化能营养微生物。

19、在以上所述的任何实施例中，所述第一微生物物种是化能营养菌，并且所述第二微生物物种是光能营养菌。

20、在以上所述的任何实施例中，第一初级代谢通路使含有碳、氮、磷或硫的化合物氧化，并且第二初级代谢通路使通过所述第一初级代谢通路产生的经氧化的化合物还原。

21、在以上所述的任何实施例中，所述第一微生物物种具有菌毛、原纤维、鞭毛和/或丝状形状。

22、在以上所述的任何实施例中，所述第一微生物物种具有多个代谢通路。

23、在以上所述的任何实施例中，所述第一微生物物种是天然存在的微生物物种。

24、在以上所述的任何实施例中，所述第一初级代谢通路和所述第二初级代谢通路各自参与细胞呼吸。

25、另一方面涉及一种将化学能和/或光能转化为电能的方法，所述方法包含：操作根据前述实施例中任一实施例所述的伏打电池单元。

26、另一方面涉及一种伏打电池单元，其包括：(a)阴极气流硬件；(b)阴极气体扩散层；(c)阴极琼脂层；(d)电解质层，所述电解质层包含与阳极和阴极接触的离子传导介质；(e)阳极层，所述阳极层用于接收电子并且将电子提供给外部电路或负载；(f)阳极琼脂层；(g)窗口层；以及(h)生物膜，所述生物膜包括微生物。

27、在各个实施例中，所述微生物驻留在所述层中的一或多个层中。

28、在各个实施例中，所述阳极层包含如铝纳米颗粒、铝微粒、透明导体颗粒、亲水性聚合物和亲水性凝胶中的任何一或多种的材料。

29、在各个实施例中，所述窗口层包含玻璃。

30、在各个实施例中，所述生物膜与所述阳极和所述阴极中的至少一者接触。在一些实施例中，所述生物膜与所述阳极、所述阴极和所述离子可渗透且电子供体不可渗透的屏障中的至少一者接触。

31、在各个实施例中，所述生物膜包含两种或更多种微生物。

32、在各个实施例中，所述生物膜形成于所述伏打电池单元中的衬底上。在一些实施例中，所述衬底为所述阳极或所述阴极。在一些实施例中，所述衬底接触所述阳极或所述阴极的表面。

33、在各个实施例中，所述生物膜包含带正电荷的部分。

34、在各个实施例中，所述生物膜包含带负电荷的部分。

35、在各个实施例中，所述生物膜包含合成部分。

36、在各个实施例中，所述生物膜包含非合成部分。

37、在各个实施例中，所述生物膜包含一或多个丝状附器。

38、在各个实施例中，所述生物膜包含一或多种微生物类别，所述一或多种微生物类别是厌氧微生物、好氧微生物和兼性厌氧微生物中的一或多种。

39、在各个实施例中，所述生物膜包含硫氧化微生物和硫还原微生物。

40、在各个实施例中，所述生物膜包含一或多种选自由以下组成的组的微生物：铁还原红育菌、嗜酸乳杆菌、深红红螺菌、脱硫弧菌脱硫亚种、厌氧消化链球菌、森氏红螺菌、疾卡氏菌、毛螺菌、腹发光杆菌、酒色闪杆菌、干酪乳酸杆菌、具核梭杆菌多形亚种、孔兹创伤球菌、痤疮丙酸杆菌、深红红螺菌、孔兹创伤球菌、酒色闪杆菌和产黏变形杆菌。

41、在各个实施例中，所述生物膜包含基质，所述基质包含天然聚合物、合成聚合物、dna的水合物、蛋白质的水合物或碳水化合物的水合物。

42、在以上所述的任何实施例中，所述伏打电池单元还可以包含与所述阳极电通信的集电器。

43、在以上所述的任何实施例中，第一微生物物种和/或第二微生物物种包含光采集天线。在各个实施例中，所述第一微生物物种通过第一波段中的电磁辐射激发，并且所述缓冲液中的至少一种其它微生物物种通过第二波段中的电磁辐射激发，其中所述第一波段和所述第二波段基本上不重叠。

44、在以上所述的任何实施例中，所述第一微生物物种包含光能营养或化能营养微生物。

45、在以上所述的任何实施例中，所述第一微生物物种是化能营养菌，并且所述第二微生物物种是光能营养菌。

46、在以上所述的任何实施例中，第一初级代谢通路使含有碳、氮、磷或硫的化合物氧化，并且第二初级代谢通路使通过所述第一初级代谢通路产生的经氧化的化合物还原。

47、在以上所述的任何实施例中，所述第一微生物物种具有菌毛、原纤维、鞭毛和/或丝状形状。

48、在以上所述的任何实施例中，所述第一微生物物种具有多个代谢通路。

49、在以上所述的任何实施例中，所述第一微生物物种是天然存在的微生物物种。

50、在以上所述的任何实施例中，所述第一初级代谢通路和所述第二初级代谢通路各自参与细胞呼吸。

51、这些和其它方面在下文参考附图进行了进一步描述。